3.6. Физико-механические свойства углей и вмещающих пород
Все горные породы проектного участка по физико-механическим свойствам объединяются в четыре группы:
1. рыхлые четвертичные отложения.
2. незатронутые выветриванием коренные горные породы.
3. выветрелые горные породы.
4. горельники.
Четвертичные отложения сплошным покровом залегают на выветрелых коренных горных породах.
Мощность
их крайне непостоянна и колеблется от
1-2 до 40-45 м. По гранулометрическому
составу подразделяются на глины и
суглинки. На возвышенных частях рельефа
имеют бурую окраску с желтоватым или
сероватым оттенком, лёссовидный характер
и слабообводнены. По долинам – иловатые
и водонасыщенные, серо-синеватого
оттенка (т.н. «синюха»). В водонасыщенном
состоянии обладают текучестью. Глинистые
минералы представлены гидрослюдами и
каолинитом. Суглинки отличаются от глин
повышенным содержанием кластического
материала (кварц, полевые шпаты, эффузивное
стекло) и включениями карбонатных
стяжений. По физико-механическим
свойствам суглинки и глины существенных
различий не имеют и характеризуются
следующими средними качественными
показателями:
- нижняя граница текучести (ГОСТ 5183-77): 34.25 %;
- верхний предел раскатываемости: 23.06 %;
- число пластичности: 11;
- классификация по пластичности (ГОСТ 9169-75): умеренно пластичные;
- классификация по гранулометрическому составу: низкодисперсные;
- классификация по содержанию крупнозернистых
включений (ГОСТ 9169-75): 50% определений – низкое содержани обладанием средних включений;
30% - низкое содержание включений;
6.7% - низкое содержание крупных включений;
6.6% - среднее содержание крупных включений;
6.7% - высокое содержание крупных включений.
Углевмещающая толща сложена полускальными песчано-глинистыми осадками верхнепермского возраста. Мощность слоёв колеблется от 0.05 до 35-40 м, причем в разрезе отмечается явное преобладание разнозернистых алевролитов и песчаников при значительно меньшем участии аргиллитов, углей и углистых пород.
Не затронутые приповерхностным физико-химическим выветриванием горные породы залегают ниже зоны выветривания на глубине 40-80 м от дневной поверхности.
Песчаники имеют серую и светло-серую окраску. По гранулометрическому составу подразделяются на мелкозернистые, реже – алевритистые и среднезернистые. Последние залегают преимущественно в междупластье угольных пластов 49 – 52. Окатанность обломочного материала слабая, степень сортировки – хорошая или средняя. По минеральному составу относятся к полимиктовым. Содержание кварца 10-20%, полевых шпатов – 5-20%, обломков осадочных пород 2-23%, кремнистых, эффузивных, метаморфических пород 10-15%. Состав цемента сложный, кремнисто-глинисто-карбонатный, реже – кремнисто-глинистый, карбонатный. Содержание цемента 20-30%. Тип цементации – контактово-поровый.
Алевролиты являются наиболее распространенными горными породами. Макроскопически это серые и темно-серые породы слоистой текстуры, обусловленной наличием слойков, обогащенных углистым материалом. По гранулометрическому составу выделяются крупно- , средне- и мелкозернистые разности. Окатанность зерен слабая, реже – хорошая. Минеральный состав характеризуется тем же комплексом минералов и пород и в той же пропорции, что и у песчаников.
Цементная масса
преимущественно кремнисто-глинистого
состава, реже – карбонатного, содержание
её составляет 15-25%. Тип цементации
базальный или контактово-поровый. Часто
встречаются прослойки минерализованного
алевролита повышенной, до 25-50 %,
карбонатности (кальцит, сидерит, доломит).
Аргиллиты имеют ограниченное распространение. Макроскопически представлены темно-серыми, почти черными разностями с тонкой субпараллельной текстурой, обусловленной чередованием слойков различной окраски. Структура аргиллитов пелитовая, фито-пелитовая и алевро-фитопелитовая. По минеральному составу являются гидрослюдистыми породами с примесью кремнистого, карбонатного и углистого вещества.
Углистые алевролиты и аргиллиты отличаются от обычных повышенным, до 50 % содержанием углистого вещества. В разрезе имеют ограниченное распространение, обычно в виде маломощных пропластков и линз, приуроченных к кровле и почве угольных пластов или слагающих породные прослои в них.
Каменные угли характеризуются довольно однородным петрографическим составом. Сложены полублестящими и блестящими разностями с маломощными (0.01-0.20 м) прослойками полуматового и матового угля. Структура тонко-комплексно-полосчатая до штриховатой. Для углей характерен интенсивный эндокливаж. В состав угольных пластов входят прослои алевролита, аргиллита и их углистых разностей. Нередко встречаются минерализованные конкреционные образования, сложенные кальцитом, анкеритом, сидеритом и доломитом.
Выветрелые коренные горные породы по внешнему облику отличаются от невыветрелых бурым или желтоватым оттенком, обусловленным присутствием в них природных гидроокислов. В результате низкотемпературного разложения (гидрослюдизация, каолинизация, серицитизация) происходит некоторое изменение состава обломочного материала и цемента. В алевролитах и аргиллитах происходит резкое увеличение микротрещиноватости. Для этой зоны характерна повышенная размокаемость пород почвы и обрушаемость пород кровли угольных пластов. Для всех выветрелых пород характерно существенное снижение прочностных показателей, увеличение пористости и вязкости. По степени воздействия процессов выветривания физическое состояние горных пород в вертикальном разрезе неоднородно. На контакте с четвертичными отложениями коренные горные породы до глубины 10-20 м разрушены до состояния дресвы и связаны только глинистым материалом. Залегающие ниже, до глубины 30-40 м, горные породы разбиты системами секущих и послойных трещин и имеют мелкоблочную отдельность. Еще ниже, до глубины 50-60 м, проявление открытой трещиноватости ослабевает, породы приобретают крупноблочную структуру, внешние признаки выветривания отсутствуют.
Горельники относятся к породам особого состава и состояния. Представляют собой термически обожжённые в процессе выгорания угольного пласта горные породы. Вследствие термической обработки породы приобрели характерный цвет от ярко-розового до кирпично-красного и красновато-бурого. При выгорании угольного пласта образовавшаяся полость заполняется породами кровли. При обрушении нарушается их естественная структура и кардинально изменяются физические свойства. Физико-механические свойства горельников по проектному участку изучены слабо.
Основные средние значения показателей физико-механических свойств горных пород приведены в таблице 2.
Таблица 2
Основные
физико-механические свойства вмещающих
пород и угля участка «Нижние горизонты
шахты «Котинская»
Показатель |
Алевролит мелкозернистый |
Алевролит крупнозернистый |
Песчаник |
Аргиллит |
Минерализованная порода |
Углистые породы |
Уголь |
Алевролит м/з выветрелый |
Алевролит кр/з выветрелый |
Песчаник выветрелый |
Горельник |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
Коэффициент крепости методом толчения |
5.1 |
4.9 |
4.6 |
5.8 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Временное сопротивление сжатию, МН/м2 |
35.5 |
47.4 |
57.4 |
8.1 |
83.3 |
- |
19.9 |
20.7 |
27.4 |
44.6 |
10.7 |
Временное сопротивление растяжению, МН/м2 |
41.5 |
40.9 |
57.8 |
- |
- |
- |
1.7 |
- |
- |
- |
3.0 |
Удельный вес, т/м3 |
2.70 |
2.69 |
2.69 |
2.70 |
2.67 |
- |
- |
- |
- |
- |
2.61 |
Объёмный вес, т/м3 |
2.57 |
2.56 |
2.56 |
2.60 |
2.62 |
2.36 |
0.98 |
2.43 |
2.47 |
2.53 |
2.28 |
Влажность, % |
2.65 |
2.02 |
1.25 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
7.17 |
Пористость, % |
7.30 |
6.08 |
6.08 |
11.7 |
4.8 |
15.0 |
6.44 |
13.6 |
11.6 |
9.20 |
17.3 |
Скорость продольных волн, м/с |
3750 |
4223 |
4412 |
3253 |
4827 |
2728 |
2418 |
3060 |
3282 |
3689 |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Коэффициент Пуассона |
0.22 |
0.24 |
0.26 |
0.18 |
0.28 |
0.12 |
0.10 |
0.15 |
0.18 |
0.22 |
- |
Модуль Юнга, ГПа |
29.4 |
33.6 |
37.5 |
23.9 |
45.3 |
17.1 |
6.36 |
20.7 |
24.5 |
30.1 |
- |
Модуль объёмной упругости, ГПа |
17.9 |
22.0 |
26.6 |
12.8 |
37.0 |
7.69 |
2.77 |
10.3 |
13.3 |
18.7 |
- |
Модуль сдвига, ГПа |
12.4 |
13.5 |
14.8 |
10.1 |
17.5 |
7.6 |
2.89 |
8.93 |
10.3 |
12.3 |
- |